HIRFL-CSR外靶實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)傳輸和觸發(fā)判選研究.pdf

1、隨著大型重離子加速器的興建和粒子探測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，重離子物理發(fā)展成為原子核物理的一個(gè)重要領(lǐng)域。重離子物理的發(fā)展離不開重離子加速器，目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)完成建造或正在建造各種重離子加速器科學(xué)裝置。為使我國(guó)重離子物理研究在國(guó)際上占有一席之地，我國(guó)自行設(shè)計(jì)并建設(shè)了蘭州重離子加速器(HIRFL, Heavy Ion Research Facility at Lanzhou)。
　　蘭州重離子加速器系統(tǒng)及其冷卻儲(chǔ)存環(huán)(HIRFL-CSR)外靶

2、實(shí)驗(yàn)探測(cè)裝置包括:起始時(shí)間探測(cè)器，靶區(qū)γ探測(cè)器，大接收度二極磁鐵，若干個(gè)多絲漂移室（MWDC，Multi Wire Drift Chamber），3個(gè)飛行時(shí)間(TOF，Time Of Flight)墻探測(cè)器和大型中子墻探測(cè)器。各種探測(cè)器分布在實(shí)驗(yàn)大廳不同位置，其測(cè)量目標(biāo)不同、輸出信號(hào)具有不同的特性，各前端電子學(xué)測(cè)量模塊采用不同的設(shè)計(jì)方案，整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)具有分布式的特點(diǎn)。
　　CSR外靶實(shí)驗(yàn)中，各探測(cè)器探測(cè)到的信息中，除了有用的次級(jí)

3、粒子外，還包括很多無用粒子，并且探測(cè)器及其電子學(xué)中存在噪聲。為了剔除這些無效信息和本底噪聲，將研究一個(gè)專門的觸發(fā)判選系統(tǒng)，根據(jù)有效事例次級(jí)粒子間的時(shí)間和邏輯關(guān)系，產(chǎn)生總觸發(fā)信號(hào)反饋至前端電子學(xué)測(cè)量模塊中，用于感興趣事例數(shù)據(jù)的讀出。為了對(duì)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)進(jìn)行分析，需要一個(gè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)將各個(gè)測(cè)量模塊的讀出數(shù)據(jù)匯總到一起，組裝成完整的事例。
　　本論文研究過程中，對(duì)國(guó)際上一些大型物理實(shí)驗(yàn)的觸發(fā)判選系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)研，再結(jié)合CSR外靶實(shí)

4、驗(yàn)本身的特點(diǎn)——探測(cè)器種類多、分布在實(shí)驗(yàn)大廳的各個(gè)地方、電子學(xué)通道數(shù)目龐大等，研究了適合本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)傳輸和觸發(fā)判選系統(tǒng)。
　　CSR外靶實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)傳輸采用多節(jié)點(diǎn)的事例重組。前端電子學(xué)測(cè)量模塊基于PXI6U標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，測(cè)量數(shù)據(jù)在測(cè)量模塊內(nèi)部經(jīng)過緩存和處理，進(jìn)行初級(jí)事例組裝;使用基于數(shù)據(jù)重傳、定時(shí)啟動(dòng)的突發(fā)傳輸，將數(shù)據(jù)匯總至PXI機(jī)箱控制器中，完成事例次級(jí)組裝;然后通過以太網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)DAQ刀片處理器中進(jìn)行最終數(shù)據(jù)組裝

5、。整個(gè)過程中，保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性、數(shù)據(jù)的正確性和完整性，最終得到有效的完整事例。
　　觸發(fā)判選系統(tǒng)采用層次化的觸發(fā)判選機(jī)制，在前端電子學(xué)測(cè)量模塊中完成有效擊中信息的提取，送至PXI機(jī)箱中星形觸發(fā)槽的子觸發(fā)判選模塊，對(duì)有效擊中信息進(jìn)行判選，產(chǎn)生子觸發(fā)信息;然后將所有子觸發(fā)信息匯總到總觸發(fā)模塊，由總觸發(fā)模塊完成最終的觸發(fā)判選，產(chǎn)生總觸發(fā)信號(hào)反饋至子觸發(fā)模塊，再通過星形觸發(fā)線扇出至測(cè)量模塊中，用于有效數(shù)據(jù)讀出。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離，總觸發(fā)模塊與

6、子觸發(fā)模塊間采用光纖傳輸觸發(fā)信息，同時(shí)隔離了各機(jī)箱間的電氣連接。采用FPGA來完成核心觸發(fā)判選算法，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)系統(tǒng)的可重構(gòu)性，提高系統(tǒng)的靈活性。目前僅根據(jù)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)需要實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)算法，以后的實(shí)驗(yàn)中可能需要更多更復(fù)雜的算法，在不修改硬件的前提下更新FPGA邏輯即可實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的升級(jí)得到保障。
　　基于上述方案，完成了數(shù)據(jù)傳輸和觸發(fā)判選電子學(xué)硬件設(shè)計(jì)及其算法實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室電子學(xué)性能的測(cè)試。首先對(duì)光纖傳輸性能進(jìn)行了測(cè)試，包括眼圖測(cè)試和誤碼